CN109488689B - 气浮主轴承载补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了气浮主轴承载补偿装置及方法。目前气浮轴承的回转误差采用砝码或弹簧进行承载补偿，无法实现实时检测和承载补偿。本发明中气浮主轴产生回转误差时，控制阀在控制器控制下调节输出的气体压力，给气浮主轴气膜较薄一侧承载补偿，直到三个气浮支承组件的位移传感器检测到三个气浮支承组件的气浮支承内端与气浮主轴的径向间隙相等时，停止控制器的调节，气浮主轴回到三个气浮支承组件的气浮支承对心位置，实现气浮主轴承载补偿。本发明实现承载力的实时补偿，压力传感器显示气浮支承承载力；气浮支承内端与气浮主轴的径向间隙可调，更好地适应不同转速和不同零件加工。

Description

气浮主轴承载补偿装置及方法

技术领域

本发明属于精密加工技术领域，具体涉及一种气浮主轴承载补偿装置及其对气浮主轴的回转误差检测和承载补偿方法。

背景技术

随着科学技术的发展，气浮轴承具有极小的摩擦系数、较高的回转精度和无污染等优点，在精密机械与测量仪器中获得了越来越广泛的应用。气浮静压轴承集中体现了高速、高效、高精密的加工性能，是高精密机床主轴的主要发展方向之一。在气浮主轴的工作过程中由于刀头进给、切削力和主轴的高速旋转易导致主轴的回转误差增大，加工精度难以保证，当承载力过大时，甚至使气浮主轴磨损失效。

目前，针对气浮轴承在工作过程中由于振动或者刀具进给而产生的回转误差，直接采用砝码式或者弹簧式进行承载补偿，这种补偿方式的加载器与轴承的连接方式一般为刚性连接，无法实现实时的检测和承载补偿，且加载力大小无法保证精确度。

发明内容

本发明的目的是针对气浮主轴回转误差检测及承载补偿方式的不足，提出一种气浮主轴承载补偿装置及其对气浮主轴的回转误差检测和承载补偿方法，能够准确地对气浮主轴回转误差进行检测及承载补偿。

本发明所采用的技术方案是：

本发明气浮主轴承载补偿装置，包括固定支架、控制阀、通气管和气浮支承组件；所述的固定支架内部中空；固定支架开设有沿周向均布的三个阶梯孔，阶梯孔孔径较大的孔段朝外设置；三个气浮支承组件沿周向均布设置在固定支架上，且气浮支承组件的位置与阶梯孔的位置一一对应；所述的气浮支承组件包括气浮支承、对心调节杆、对心调节杆套、压力传感器、固定板和位移传感器；对心调节杆套嵌入固定支架的阶梯孔孔径较大的孔段内；固定板与固定支架通过螺钉连接，且固定板内侧面与对心调节杆套外侧面贴紧；对心调节杆穿过固定板的中心孔和阶梯孔孔径较小的孔段，且对心调节杆的外螺纹与对心调节杆套的内螺纹连接；所述对心调节杆的内端与压力传感器的外端固定；压力传感器的中心轴与对心调节杆的中心轴线共线；所述压力传感器的内端与气浮支承外端固定，气浮支承的中心轴线与压力传感器的中心轴线共线；所述气浮支承的内端为圆弧面；气浮支承内端位于中心轴线位置固定有位移传感器；气浮支承内端在以位移传感器中心为圆心的圆周上开设有沿周向均布的多个通气孔；所有通气孔均与气浮支承的内部气道出气口连通；所述的通气管两端分别连接控制阀和内部气道的入气口；控制阀固定在固定支架上；对心调节杆的外端固定有调心旋钮；调心旋钮上设有刻度线，刻度线的刻度值为气浮支承内端与气浮主轴的径向间隙；固定板上设有指示线；三个气浮支承组件的控制阀均与气泵连接。

所述的固定支架呈三角形。

该气浮主轴承载补偿装置对气浮主轴的回转误差检测和承载补偿方法，具体如下：

1、三个气浮支承组件的气浮支承对心：

三个气浮支承组件的气浮支承内端均压紧气浮主轴表面，并保证三个气浮支承组件的固定板上指示线指向调心旋钮的同一刻度；然后旋转调心旋钮，使得对心调节杆带动压力传感器、气浮支承和位移传感器一起沿气浮主轴径向远离气浮主轴，直到三个气浮支承组件的气浮支承内端与气浮主轴的径向间隙均为L时，停止旋转调心旋钮，其中，L在0.01～0.03mm范围内取值；此时，三个气浮支承组件的固定板上指示线指向调心旋钮的同一刻度，三个气浮支承组件的气浮支承对心完成。

2、气浮支承和气浮主轴之间气膜的形成：

气泵的气体经控制阀后从通气管进入气浮支承内部，流经气浮支承的内部气道，并由通气孔流出，在气浮支承和气浮主轴之间形成气膜支撑气浮主轴。

3、气浮主轴的回转误差检测和承载补偿：

气浮主轴旋转工作，当三个气浮支承组件的位移传感器检测到三个气浮支承组件的气浮支承内端与气浮主轴的径向间隙不相等时，说明气浮主轴产生了回转误差，气浮主轴周围的气膜厚度均匀状态被破坏，气膜较厚一侧压力降低，该侧气浮支承的承载力降低；此时，三个气浮支承组件的控制阀在控制器控制下分别调节输出的气体压力，给予气浮主轴气膜较薄一侧承载补偿，直到三个气浮支承组件的位移传感器检测到三个气浮支承组件的气浮支承内端与气浮主轴的径向间隙相等时，停止控制器的调节，气浮主轴回到三个气浮支承组件的气浮支承对心位置，从而实现气浮主轴承载补偿；三个气浮支承组件的压力传感器显示三个气浮支承的承载力。

本发明具有的有益效果是：

1.气浮支承在给予承载力补偿时，不会将摩擦、振动等影响因素传递给主轴，不影响主轴的旋转运动。

2.三点式的气浮支撑，不仅可以均匀补偿承载力，而且可以实现刀头不同方向加载力的补偿。

3.利用控制阀进行加载补偿，位移传感器与控制阀之间形成闭环控制，可以实现承载力的实时补偿，使加载精度更高，相比较外力加载更加精确，从而提高主轴机械加工的精度。

4.气浮支承内端与气浮主轴的径向间隙可根据加工零件不同调节，从而更好地适应不同转速和不同零件加工。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为本发明中气浮支承组件的结构示意图；

图3为本发明进行主轴回转误差检测的原理图；

图4为本发明的气体路径图；

图5为本发明中气浮支承与气浮主轴的位置关系图；

图中：1-固定支架，2-控制阀，3-螺钉，4-通气管，5-气浮支承，6-压力传感器，7-对心调节杆套，8-固定板，9-对心调节杆，10-调心旋钮，11-气浮主轴，12-内部气道，13-入气口，14-位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2和5所示，气浮主轴承载补偿装置，包括固定支架1、控制阀2、通气管4和气浮支承组件；固定支架1用于控制阀2和气浮支承组件的支撑；固定支架呈内部中空的三角形，三角形更加稳固；固定支架开设有沿周向均布的三个阶梯孔，阶梯孔孔径较大的孔段朝外设置；三个气浮支承组件沿周向均布设置在固定支架上，且气浮支承组件的位置与阶梯孔的位置一一对应；气浮支承组件包括气浮支承5、对心调节杆9、对心调节杆套7、压力传感器6、固定板8和位移传感器14；对心调节杆套7嵌入固定支架的阶梯孔孔径较大的孔段内；固定板8与固定支架通过螺钉连接，且固定板8内侧面与对心调节杆套7外侧面贴紧；对心调节杆9穿过固定板8的中心孔和阶梯孔孔径较小的孔段，且对心调节杆9的外螺纹与对心调节杆套7的内螺纹连接；对心调节杆9的内端与压力传感器6的外端固定；压力传感器6的中心轴与对心调节杆9的中心轴线共线；压力传感器6实现气浮主轴11承载力的测量；压力传感器6的内端与气浮支承5外端固定，气浮支承5的中心轴线与压力传感器6的中心轴线共线；气浮支承5用于调节回转误差和支撑气浮主轴11；气浮支承5的内端为圆弧面；气浮支承5内端位于中心轴线位置固定有位移传感器14，用来检测气浮主轴11的回转误差；气浮支承5内端在以位移传感器14中心为圆心的圆周上开设有沿周向均布的四个通气孔；四个通气孔均与气浮支承5的内部气道12出气口连通；通气管4两端分别连接控制阀2和内部气道12的入气口13；控制阀2通过螺钉3固定在固定支架1上；对心调节杆9的外端固定有调心旋钮10；调心旋钮10上设有刻度线，刻度线的刻度值为气浮支承5内端与气浮主轴的径向间隙；固定板8上设有指示线；旋转气浮支承组件的调心旋钮10进行对心调节，三个气浮支承组件的固定板8上指示线指向调心旋钮10的同一刻度时，三个气浮支承组件的气浮支承5内端处于同一圆柱面上，此时，对心调节完成；三个气浮支承组件的控制阀2均与气泵连接，气体经控制阀2后从通气管4进入气浮支承5内部，流经气浮支承的内部气道12，并由四个通气孔流出，在气浮支承5和气浮主轴11之间形成一层气膜，实现支撑气浮主轴的作用；当气浮主轴11产生回转误差时改变进气压力对气浮主轴进行承载补偿。

该气浮主轴承载补偿装置对气浮主轴的回转误差检测和承载补偿方法，具体如下：

1、三个气浮支承组件的气浮支承对心：

三个气浮支承组件的气浮支承5内端均压紧气浮主轴11表面，并保证三个气浮支承组件的固定板8上指示线指向调心旋钮10的同一刻度；然后旋转调心旋钮10，使得对心调节杆9带动压力传感器6、气浮支承5和位移传感器14一起沿气浮主轴11径向远离气浮主轴11，直到三个气浮支承组件的气浮支承5内端与气浮主轴的径向间隙均为L时，停止旋转调心旋钮10，其中，L根据加工零件不同来取值，通常在0.01～0.03mm范围内取值；此时，三个气浮支承组件的固定板8上指示线指向调心旋钮10的同一刻度，三个气浮支承组件的气浮支承对心完成。

2、气浮支承5和气浮主轴11之间气膜的形成：

气泵的气体经控制阀2后从通气管4进入气浮支承5内部，流经气浮支承的内部气道12，并由四个通气孔流出，在气浮支承5和气浮主轴11之间形成气膜支撑气浮主轴，其中，气浮支承5两侧为气浮支承5和气浮主轴11之间气体的排气口，如图4所示；由于三个气浮支承组件的气浮支承5沿周向均布，三个气浮支承组件的气浮支承5和气浮主轴11之间的气膜厚度均匀，气浮主轴11可近似无摩擦阻力的旋转运动。

3、气浮主轴的回转误差检测和承载补偿：

气浮主轴11旋转工作，当三个气浮支承组件的位移传感器14检测到三个气浮支承组件的气浮支承5内端与气浮主轴的径向间隙不相等时，说明气浮主轴11在高速旋转或者刀头进给的影响下产生了回转误差，如图3所示，气浮主轴周围的气膜厚度均匀状态被破坏，通入同样体积的气体气膜较厚一侧压力降低(此时，三个气浮支承组件的气浮支承5输出的气体压力p1、p2、p3不相等，气浮主轴11的中心由O点偏移到O’点)，该侧气浮支承5的承载力降低；此时，三个气浮支承组件的控制阀2在控制器控制下分别调节输出的气体压力，给予气浮主轴11气膜较薄一侧承载补偿，直到三个气浮支承组件的位移传感器14检测到三个气浮支承组件的气浮支承5内端与气浮主轴的径向间隙相等时，停止控制器的调节，气浮主轴11回到三个气浮支承组件的气浮支承对心位置，从而实现气浮主轴承载补偿；三个气浮支承组件的压力传感器6显示三个气浮支承的承载力。

Claims (3)

1.气浮主轴承载补偿装置，包括固定支架、控制阀、通气管和气浮支承组件，其特征在于：所述的固定支架内部中空；固定支架开设有沿周向均布的三个阶梯孔，阶梯孔孔径较大的孔段朝外设置；三个气浮支承组件沿周向均布设置在固定支架上，且气浮支承组件的位置与阶梯孔的位置一一对应；所述的气浮支承组件包括气浮支承、对心调节杆、对心调节杆套、压力传感器、固定板和位移传感器；对心调节杆套嵌入固定支架的阶梯孔孔径较大的孔段内；固定板与固定支架通过螺钉连接，且固定板内侧面与对心调节杆套外侧面贴紧；对心调节杆穿过固定板的中心孔和阶梯孔孔径较小的孔段，且对心调节杆的外螺纹与对心调节杆套的内螺纹连接；所述对心调节杆的内端与压力传感器的外端固定；压力传感器的中心轴与对心调节杆的中心轴线共线；所述压力传感器的内端与气浮支承外端固定，气浮支承的中心轴线与压力传感器的中心轴线共线；所述气浮支承的内端为圆弧面；气浮支承内端位于中心轴线位置固定有位移传感器；气浮支承内端在以位移传感器中心为圆心的圆周上开设有沿周向均布的多个通气孔；所有通气孔均与气浮支承的内部气道出气口连通；所述的通气管两端分别连接控制阀和内部气道的入气口；控制阀固定在固定支架上；对心调节杆的外端固定有调心旋钮；调心旋钮上设有刻度线，刻度线的刻度值为气浮支承内端与气浮主轴的径向间隙；固定板上设有指示线；三个气浮支承组件的控制阀均与气泵连接。

2.根据权利要求1所述的气浮主轴承载补偿装置，其特征在于：所述的固定支架呈三角形。

3.根据权利要求1或2所述的气浮主轴承载补偿装置对气浮主轴的回转误差检测和承载补偿方法，其特征在于：该方法具体如下：

1、三个气浮支承组件的气浮支承对心：

三个气浮支承组件的气浮支承内端均压紧气浮主轴表面，并保证三个气浮支承组件的固定板上指示线指向调心旋钮的同一刻度；然后旋转调心旋钮，使得对心调节杆带动压力传感器、气浮支承和位移传感器一起沿气浮主轴径向远离气浮主轴，直到三个气浮支承组件的气浮支承内端与气浮主轴的径向间隙均为L时，停止旋转调心旋钮，其中，L在0.01～0.03mm范围内取值；此时，三个气浮支承组件的固定板上指示线指向调心旋钮的同一刻度，三个气浮支承组件的气浮支承对心完成；

2、气浮支承和气浮主轴之间气膜的形成：

气泵的气体经控制阀后从通气管进入气浮支承内部，流经气浮支承的内部气道，并由通气孔流出，在气浮支承和气浮主轴之间形成气膜支撑气浮主轴；

3、气浮主轴的回转误差检测和承载补偿：

气浮主轴旋转工作，当三个气浮支承组件的位移传感器检测到三个气浮支承组件的气浮支承内端与气浮主轴的径向间隙不相等时，说明气浮主轴产生了回转误差，气浮主轴周围的气膜厚度均匀状态被破坏，气膜较厚一侧压力降低，该侧气浮支承的承载力降低；此时，三个气浮支承组件的控制阀在控制器控制下分别调节输出的气体压力，给予气浮主轴气膜较薄一侧承载补偿，直到三个气浮支承组件的位移传感器检测到三个气浮支承组件的气浮支承内端与气浮主轴的径向间隙相等时，停止控制器的调节，气浮主轴回到三个气浮支承组件的气浮支承对心位置，从而实现气浮主轴承载补偿；三个气浮支承组件的压力传感器显示三个气浮支承的承载力。